[论文解读] Sizing and Profitability of Energy Storage for Prosumers in Madeira, Portugal

Md Umar Hashmi, Jonathan Cavaleiro+2 more|arXiv (Cornell University)|Nov 23, 2019

Smart Grid Energy Management参考文献 22被引用 8

一句话总结

本文提出了一套协同优化框架，用于在葡萄牙马德拉岛实现需求峰值削减、能量套利和自给自足的储能优化。由于上网电价为零且峰值电力合同施加电网限制，该研究引入了每次循环每单位容量的利润和预期回本周期作为关键指标，表明较小、慢速响应的电池因退化和循环疲劳减少而具有更高的盈利能力。

ABSTRACT

This paper proposes a framework to select the best-suited battery for co-optimizing for peak demand shaving, energy arbitrage and increase self-sufficiency in the context of power network in Madeira, Portugal. Feed-in-tariff for electricity network in Madeira is zero, which implies consumers with excess production should locally consume the excess generation rather than wasting it. Further, the power network {operator} applies a peak power contract for consumers which imposes an upper bound on the peak power seen by the power grid interfaced by energy meter. We investigate the value of storage in Madeira, using four different types of prosumers, categorized based on the relationship between their inelastic load and renewable generation. We observe that the marginal increase in the value of storage deteriorates with increase in size and ramping capabilities. We propose the use of profit per cycle per unit of battery capacity and expected payback period as indices for selecting the best-suited storage parameters to ensure profitability. This mechanism takes into account the consumption and generation patterns, profit, storage degradation, and cycle and calendar life of the battery. We also propose the inclusion of a friction coefficient in the original co-optimization formulation to increase the value of storage by reducing the operational cycles and eliminate low returning transactions.

研究动机与目标

• 解决马德拉岛储能盈利能力低的问题，该地过剩的太阳能发电未获补偿，且峰值电力合同带来财务处罚。
• 识别在真实电网约束和零上网电价条件下，最大化盈利能力的最优电池容量和控制策略。
• 开发考虑电池退化、循环寿命、日历寿命和运行周期的性能指标，以指导投资决策。
• 评估不同用户类型（由刚性负荷与可再生能源发电量定义）对储能价值和盈利能力的影响。

提出的方法

• 提出一种协同优化框架，通过混合整数规划同时实现能量套利、自给自足和峰值需求削减。
• 引入归一化盈利能力指标：每次循环每单位电池容量的利润，基于循环寿命和深度放电（DoD）退化模型推导得出。
• 使用DoDofVector算法基于DoD和充放电模式估算运行周期，考虑非线性退化。
• 在优化中引入摩擦系数，以减少低回报交易并限制过度循环，使循环寿命与日历寿命退化相匹配。
• 应用分时电价（ToU）和峰值电力合同（PPC）罚款，以模拟马德拉岛的真实电网约束。
• 基于刚性负荷与可再生能源发电量的比值，将用户划分为四类，并使用2019年6月的数据进行数值分析。

实验结果

研究问题

• RQ1 在零上网电价条件下，马德拉岛不同用户类型储能的盈利能力如何变化？
• RQ2 在每次循环利润和回本周期方面，增加电池容量和响应能力的边际价值是多少？
• RQ3 摩擦系数在多大程度上可减少低回报运行并提高每次循环的盈利能力？
• RQ4 协同优化套利、自给自足和峰值削减如何影响盈亏平衡点和投资回报率？
• RQ5 在马德拉岛独特的电网和电价规则下，哪些电池参数（容量、C率）能实现最高盈利能力？

主要发现

• 容量较小（1–2 kWh）、C率较低（0.25C–1C）的电池相比更大或更快响应的电池，每次循环每单位容量的利润显著更高。
• 对于1 kWh、1C-1C的电池，U2（光伏发电量低）的每次循环每单位容量利润为0.1107 €/kWh，而U12（光伏发电量高）上升至0.1922 €/kWh，表明当光伏发电超过刚性负荷时储能价值更高。
• 随着电池容量和响应能力的增加，储能的边际价值下降，因为更高的循环次数加速了退化，从而降低了每次循环的盈利能力。
• 引入摩擦系数（如1 kWh、1C-1C时为0.796）将循环次数从47.38减少至47.44（U2），并将每次循环的利润从0.0962 €/kWh提高至0.0962 €/kWh，尽管回本周期延长，但提升了财务可行性。
• 对于U8（高光伏），1 kWh、1C-1C的电池年利润达38.17 €，月均循环44.62次；而5 kWh、2C-2C的电池年利润仅为18.70 €，预期回本周期达20.05年，表明大容量系统回报率低下。
• 每月最优循环次数（47.6）与100% DoD下4000次循环寿命和7年日历寿命相一致；超过此循环次数的电池可通过调节摩擦系数提升盈利能力。